基于人機(jī)工程與視野的后視鏡布置設(shè)計(jì)

曾鑫，陳豐，朱海兵

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430205；2.上海汽車商用車技術(shù)中心整車集成部，上海 201805）

基于人機(jī)工程與視野的后視鏡布置設(shè)計(jì)

曾鑫1，陳豐2，朱海兵2

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430205；2.上海汽車商用車技術(shù)中心整車集成部，上海 201805）

后視鏡是汽車重要的安全附件，給駕駛員提供車身周邊視覺細(xì)節(jié)及環(huán)境。本文基于人機(jī)工程及視野的要求，介紹了內(nèi)外后視鏡的布置方法，并以某車型后視鏡的開發(fā)為例，驗(yàn)證了此方法的可行性。

內(nèi)后視鏡；外后視鏡；人機(jī)工程；視野

后視鏡分為外后視鏡和內(nèi)后視鏡。外后視鏡一般汽車左、右兩側(cè)都有，其功用主要是讓駕駛員觀察到汽車左右兩側(cè)后方的行人（包括上、下車人員）、車輛以及其它障礙物的情況，確保行車或倒車的安全。內(nèi)后視鏡的主要功能是供駕駛員觀察和注視車室內(nèi)成員及物品的情況，同時(shí)也可以供駕駛員觀察車輛正后方情況。按后視鏡鏡面的形狀可分為平面鏡、凸面鏡及棱形鏡等。平面鏡可以獲得與目視相同大小的成像，常用作內(nèi)后視鏡（出口美國車輛主駕側(cè)外后視鏡必須為平面鏡）；凸面鏡成像較目視小，但視野范圍較平面鏡大，常用作外后視鏡。如何實(shí)現(xiàn)后視鏡的功能，充分滿足駕駛員在駕駛過程中的人機(jī)操作舒適度及視野要求，本文將從這兩個(gè)方面介紹在汽車開發(fā)階段后視鏡的布置設(shè)計(jì)［1］。

1 人機(jī)工程及視野要求

人機(jī)工程研究的是人、機(jī)和環(huán)境之間的系統(tǒng)關(guān)系。在后視鏡布置中，外后視鏡涉及到的人機(jī)工程包括頭部、眼睛的舒適轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，后視鏡控制按鈕的可觸及性等；駕駛員在行車過程中通過頭部與眼睛的組合運(yùn)動(dòng)來擴(kuò)大視野范圍，頭部和眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍按舒適與否分為舒適轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和勉強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍［2］，見表1。

表1 眼睛與頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍

內(nèi)后視鏡涉及的人機(jī)要求包括：內(nèi)后視鏡的可調(diào)節(jié)范圍，可觸及性，頭部、眼睛的舒適轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，內(nèi)后視鏡調(diào)節(jié)過程中與周邊件的關(guān)系（如遮陽板、頂棚等）等。

視野是指駕駛員看到其視野線能到達(dá)的車輛360°范圍內(nèi)的目標(biāo)范圍。駕駛員的部分視野可能會(huì)被車輛結(jié)構(gòu)和部件遮擋，例如立柱、后視鏡、儀表板、轉(zhuǎn)向盤、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、門窗開口或頭枕。因此，駕駛員坐在其駕駛位置能看到的視野取決于駕駛員、車輛、目標(biāo)（例如行人，標(biāo)示，信號(hào)，斑馬線）和環(huán)境（例如道路形狀，天氣等）的特征。而視野的需求基于一些取自于能夠提供給我們安全駕駛所需的視野范圍的理解的信息，這些信息包括目標(biāo)、駕駛員的能力以及駕駛員對于相關(guān)視野的設(shè)計(jì)特征的反饋等［3］。

一般人看到的實(shí)物是由左右眼視線疊加的成像，在后視鏡視野的要求中一般要求的是雙眼的疊加視野，如有特殊要求，可適當(dāng)?shù)卦诓糠謪^(qū)域接受單眼視野。雙眼總視野見圖1。

圖1 雙眼總視野

法規(guī)GB 15084—2013對內(nèi)外后視鏡的視野范圍進(jìn)行了描述。

2 外后視鏡布置方法及流程

2.1 外后視鏡初步位置的確定

外后視鏡的布置分為2種情況：第1種是基于原有平臺(tái)的改進(jìn)項(xiàng)目，此情況下一般人機(jī)及架構(gòu)參數(shù)變化較小，因此只需對原平臺(tái)車型的外后視鏡鏡面結(jié)合新的鏡殼造型進(jìn)行視野調(diào)整即可；第2種是全新開發(fā)平臺(tái)，這就需要結(jié)合Benchmark數(shù)據(jù)庫及新車型的各項(xiàng)架構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。本文主要介紹第2種情況的外后視鏡布置方法［4］。

在車型開發(fā)的前期，外后視鏡一般可根據(jù)對標(biāo)車型、Benchmark數(shù)據(jù)庫以及造型來初步確定鏡殼尺寸，一般情況下后視鏡鏡面的尺寸是鏡殼尺寸內(nèi)擴(kuò)12mm，因此鏡殼的尺寸實(shí)際上初步界定了鏡面的尺寸，但只是初步確定，兩者的尺寸都必須考慮視野與造型的因素，開發(fā)過程也是基于這幾個(gè)因素反復(fù)調(diào)整的過程。

基于初步確定的鏡殼及鏡面尺寸，來進(jìn)行外后視鏡初步位置的確定。本文主要介紹內(nèi)外后視鏡在車輛坐標(biāo)系中X、Y、Z 3個(gè)方向初步位置及鏡面角度的確定方法。

2.1.1 外后視鏡X向邊界確定

通常外后視鏡的X向位置要求考慮人機(jī)舒適性及車身結(jié)構(gòu)，一般外后視鏡應(yīng)處于前排H點(diǎn)前方500mm處并且不超過腳踵點(diǎn)的范圍內(nèi)，如圖2所示。另需滿足GB15084中對于頭部旋轉(zhuǎn)角度的要求。汽車駕駛員一側(cè)的外后視鏡必須安裝在后視鏡中心至駕駛員兩眼點(diǎn)（兩眼點(diǎn)之間的距離為65mm）中心連線的鉛垂面與縱向基準(zhǔn)平面的夾角不大于55°的范圍內(nèi)。同時(shí)車身的A柱及三角窗應(yīng)對后視鏡無遮擋［5］。

圖2 后視鏡X向區(qū)域

2.1.2 外后視鏡Y向邊界確定

一般NVH要求外后視鏡鏡殼距離底座不小于40mm，因此外后視鏡鏡殼最內(nèi)側(cè)邊界設(shè)定為距離車身基座40mm的區(qū)域；外側(cè)邊界由法規(guī)確定，見圖3。GB 15084要求：

1）將后視鏡連接到車輛上的連接件應(yīng)按下述方法設(shè)計(jì)，即以保證后視鏡順著撞擊方向偏移的轉(zhuǎn)動(dòng)軸或旋轉(zhuǎn)中心，或兩者之一為軸線，作一半徑為70mm的圓柱體（L類車輛為50mm），該圓柱體至少應(yīng)切到連接件所連接的表面部分。

2）當(dāng)車輛滿載，且外后視鏡的底邊距地面高度小于1.8m時(shí)，其單側(cè)外伸量不得大于車輛未裝后視鏡時(shí)測得的最大寬度250mm。

3）汽車駕駛員一側(cè)的外后視鏡必須安裝在車輛垂直縱向中心平面與通過視鏡中心和連接駕駛員兩眼點(diǎn)65mm線段中心的垂直平面之間的夾角不大于55°的范圍內(nèi)。

圖3 后視鏡Y向邊界

2.1.3 外后視鏡Z向邊界的確定

外后視鏡的高度尺寸一般通過對標(biāo)車型和Benchmark數(shù)據(jù)庫來初步確定，所以在這里只需要確定后視鏡下邊界就可以把后視鏡的Z向位置確定，通過給造型輸入的硬點(diǎn)斷面可作眼點(diǎn)與水切處連線，取與Y軸夾角最小的連線作為后視鏡下邊界。見圖4。

圖4 后視鏡鏡面Z向邊界

2.1.4 外后視鏡鏡面角度的確定

通常外后視鏡與Y軸都是有一定的夾角，通常左右側(cè)外后視鏡與Y軸的夾角也不一樣。通過對標(biāo)車型的測量：左側(cè)后視鏡與Y軸的夾角一般為：13°～30°；右側(cè)后視鏡與Y軸的夾角一般為：13°～40°。商用車由于包括M1、M2及N1等，法規(guī)要求視野不一樣，因此外后視鏡夾角區(qū)間也比較大；而且商用車批量少，車型較多，且包括出口車型，需考慮左右舵通用性，因此左右后視鏡與Y軸的夾角最好一致。視鏡鏡面設(shè)計(jì)角度見圖5。

圖5 視鏡鏡面設(shè)計(jì)角度

2.2 鏡面位置及尺寸的確定

鏡面尺寸首先要滿足法規(guī)的要求，同時(shí)還需結(jié)合造型的鏡殼考慮鏡面尺寸。通過上述方法確定了外后視鏡初步的位置邊界，但邊界范圍較大，需通過法規(guī)GB 15084的視野要求來進(jìn)一步確定鏡面的區(qū)域。由國標(biāo)及歐標(biāo)視野法規(guī)可知，通常國標(biāo)及歐標(biāo)對右側(cè)后視鏡的視野區(qū)域要求更大一些，故在確定兩個(gè)區(qū)域的外后視鏡位置時(shí)只針對于右側(cè)。

2.2.1 鏡面位置的確定

視鏡鏡面設(shè)計(jì)見圖6。下面以某車型的外后視鏡開發(fā)為例，介紹確定鏡面位置與尺寸的基本步驟。

1）由外后視鏡X向邊界確定方法，作一駕駛員H點(diǎn)前方500mm，不超過踵點(diǎn)，并與Z軸平行的平面，根據(jù)鏡面角度確定的方法，初步確定該平面與Y軸的角度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般可先定義鏡面角度為13°。此角度越小，視野偏離車身；角度越大，視野偏向車身，外側(cè)視野減小。

圖6 視鏡鏡面設(shè)計(jì)圖例

2）由法規(guī)及NVH要求確定Y向內(nèi)外邊界，內(nèi)側(cè)以40mm為界（結(jié)合50mm的圓柱體要求），外側(cè)邊界為車輛未裝后視鏡時(shí)測得的最大寬度200mm內(nèi)。

3）眼點(diǎn)與水切的連線作為外后視鏡鏡面的下邊界，上邊界由對標(biāo)車型和數(shù)據(jù)庫確定。

2.2.2 基本尺寸的確定

由上述3點(diǎn)確定一個(gè)平面區(qū)域，并與對標(biāo)車和數(shù)據(jù)庫車型的鏡面位置和尺寸比較，初步確定此區(qū)域的中心（Y向先以內(nèi)側(cè)邊界為基準(zhǔn)），以中心點(diǎn)的法線作一個(gè)1 400mm半徑的球，以中心點(diǎn)法線向球內(nèi)側(cè)偏移7mm作為鏡面的旋轉(zhuǎn)中心。在該球面上應(yīng)可繪出以a為底邊，高為40mm的矩形；與矩形高平行的線段，其長度為b。表2中給出了a和b的最小值。

表2 外后視鏡基本尺寸要求

2.2.3 上頂點(diǎn)位置的確定

根據(jù)GB 15084、ECE R46等法規(guī)要求，對上述界定的區(qū)域進(jìn)行視野校核。根據(jù)法規(guī)要求的視野區(qū)域校核可知，反應(yīng)在鏡面上的區(qū)域?yàn)?個(gè)或4個(gè)三角形區(qū)域，三角形的上定點(diǎn)為水平視野延伸要求，底邊2個(gè)點(diǎn)為法規(guī)要求看到的最近的2個(gè)區(qū)域頂點(diǎn)。

因此可首先確定上頂點(diǎn)位置，方法如下：由確定的鏡面旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，作垂直于中心點(diǎn)法線的線，以此線作為旋轉(zhuǎn)軸，通過旋轉(zhuǎn)鏡面，使眼點(diǎn)視線過鏡面左上部的反射線達(dá)到水平，或者反射線通過法規(guī)要求區(qū)域內(nèi)點(diǎn)處向上與鏡面中心同高的點(diǎn)，此時(shí)鏡面上下角度即可滿足視野要求的水平視野延伸，見圖7。

圖7 視鏡鏡面上極限點(diǎn)要求

2.2.4 視野三角形的底邊點(diǎn)

用上頂點(diǎn)確定后的鏡面，根據(jù)法規(guī)視野要求的地面邊界來確定視野三角形的底邊2點(diǎn)。視鏡鏡面視野三角形與初定區(qū)域?qū)Ρ纫妶D8。此校核的過程是反復(fù)的過程，方法如下。

1）若在初定的角度不滿足視野要求（在鏡面上下角度調(diào)整好后，一般是三角形在左右方向的差異），則可通過上下調(diào)整后的旋轉(zhuǎn)軸的垂直線作為旋轉(zhuǎn)軸，來調(diào)整左右角度，使鏡面適應(yīng)法規(guī)要求。若調(diào)整后視野三角形在上下區(qū)域有變動(dòng)，則需重復(fù)上下調(diào)整，調(diào)整范圍上下不超過3°，調(diào)整的范圍不應(yīng)超過上述的區(qū)域。

2）若通過上述調(diào)整仍不滿足視野要求，則可調(diào)整鏡面的Y向位置，因前面規(guī)定Y向的邊界以內(nèi)側(cè)邊界為基準(zhǔn)，因此此時(shí)可將鏡面向外側(cè)移動(dòng)，移動(dòng)的范圍不得超過Y向外側(cè)邊界；若還不滿足，則可根據(jù)視野的情況來沿X方向移動(dòng)，前不超過腳踵點(diǎn)的X坐標(biāo)值，后不超過H點(diǎn)往前500mm，或是調(diào)整Z向位置，同樣不應(yīng)超過Z向邊界。

圖8 視鏡鏡面視野三角形與初定區(qū)域?qū)Ρ?/p>

3）反復(fù)調(diào)整直到能滿足視野要求為止。

視野三角形確定了鏡片的最小區(qū)域，考慮設(shè)計(jì)、制造及驗(yàn)證誤差，一般要求鏡面范圍在視野三角形外擴(kuò)5mm以外。

3 內(nèi)后視鏡布置方法及流程

內(nèi)后視鏡位置應(yīng)滿足如下幾方面要求。

1）一般內(nèi)后視鏡是安裝在縱向?qū)ΨQ面上的，所以其Y向位置固定。

2）現(xiàn)只對其高度位置作要求。確定其高度位置的主要依據(jù)是不影響駕駛員前方視野，要求內(nèi)后視鏡的后端球鉸應(yīng)當(dāng)設(shè)定到它的向下于反射面垂直的設(shè)計(jì)位置（22°），風(fēng)窗端的球鉸應(yīng)當(dāng)調(diào)整到與安裝軌道對齊。在這個(gè)位置下，后視鏡鏡框的最下端不能低于與95%眼橢圓的頂部相切且與水平面向上成3°的橫向平面；但不能低于距95%眼橢圓上端13mm的水平面［1-3］。詳見圖9。

圖9 后視鏡Z向要求

3）內(nèi)后視鏡視野要求95%眼橢圓在設(shè)計(jì)狀態(tài)下可以滿足GB 15084視野要求。

4）根據(jù)不同人群對內(nèi)后視鏡的調(diào)整，要求內(nèi)后視鏡與頂棚保持間隙30mm以上，參見圖10。內(nèi)后視鏡與前風(fēng)擋、前風(fēng)擋安裝件（如雨量傳感器、裝飾罩蓋等）的間隙以保證使用工況及調(diào)整過程中不干涉，及調(diào)整的操作空間。

5）內(nèi)后視鏡與遮陽板間隙，保證內(nèi)后視鏡與遮陽板間隙大于12mm（圖11）；內(nèi)后視鏡的手操作界面，保證內(nèi)后視鏡在三指手操界面內(nèi)（圖12）；內(nèi)后視鏡應(yīng)安裝在駕駛員和副駕駛乘客的頭部擺動(dòng)區(qū)域內(nèi)（前碰過程）。

圖10 后視鏡與頂棚間隙要求

圖11 后視鏡與遮陽板間隙要求

4 結(jié)論

本文從人機(jī)工程及視野的要求出發(fā)，介紹了內(nèi)外后視鏡的布置策略與方法，并通過上汽大通V80的后視鏡布置實(shí)例，驗(yàn)證了本文后視鏡布置方法的可行性及正確性。

［1］劉群，任金東，李樂萌，等.基于知識(shí)的汽車后視鏡布置研究［J］.汽車技術(shù)，2016（4）：5-8+41.

圖12 后視鏡與手操作界面要求

［2］李浩.基于眼橢圓的汽車后視野分析研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2013.

［3］趙治國，鐘一鳴，趙楚豪，等.乘用車隨動(dòng)后視鏡視野范圍測量及轉(zhuǎn)角分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，42（9）：1 408-1 414.

［4］Sundin A.Visibility driven design of new modularized Volvo car tophat structure［Z］.2008.

［5］劉志剛，潘菲.后視鏡布置及校核方法的研究［J］.汽車電器，2009（6）：19-21.

（編輯 陳程）

圖6 邏輯環(huán)穩(wěn)定性測試-加入模擬節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)建環(huán)

4 總結(jié)

本文在研究OSEK NM標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了整車CAN網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用到實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，而且提出了一套用于驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)管理性能的測試方法，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性，對整車網(wǎng)絡(luò)研究及后續(xù)車型開發(fā)具有很好的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］黃東，孫曉民.車用分布式OSEK系統(tǒng)實(shí)時(shí)診斷平臺(tái)研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2006，6（12）：199-204.

［2］熊毅，郭杏榮，張倪.基于OSEK規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)管理研究與改進(jìn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2007，24（9）：217-220.

［3］李芳，方運(yùn)舟，等.基于OSEK COM規(guī)范的車身控制平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44（11）：94-96.

［4］張利.OSEK網(wǎng)絡(luò)管理在汽車CAN系統(tǒng)中的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2011，25（6）：522-527.

（編輯 楊景）

Design of Rear-view M irror Layout Based on Ergonom ics and Vision

ZENG Xin1，CHEN Feng2，ZHU Hai-bing2
（1.Wuhan Polytechnic College of Software and Engineering，Wuhan 430205，China；2.Commercial Vehicle Technology Centre of SAIC Motor，Shanghai 201805，China）

Rear-view mirror is an important safety accessory for vehicles，which provides all of visual detail and surroundings for safety driving.The paper introduces the layout method of rear-view mirror based on ergonomics and vision，and verifies the method with a real development example.

Inside rear-view mirror；outside rear-view mirror；ergonomics；view

U463.82

A

1003－8639（2016）08－0045－05

2016-05-13；

2016-05-23

曾鑫（1977-），男，碩士，副教授，國家精品課程負(fù)責(zé)人，全國職業(yè)院校技能大賽專家、裁判，主要研究方向?yàn)槠嚈z測與診斷技術(shù)，已發(fā)表專業(yè)論文20余篇。